Фотоэлектрические эффекты в легированных полупроводниках на основе теллурида свинца при воздействии лазерного терагерцового излучения Д.Р.Хохлов 1, А.В.Галеева 1, Д.Е.Долженко 1, Л.И.Рябова 1, А.В.Никорич 2, С.Д.Ганичев 3, С.Н.Данилов 3, В.В.Бельков 3,4 1 Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия 2 Институт прикладной физики АН Молдовы, Кишинев, Молдова 3 Физический факультет, университет Регенсбурга, Германия 4 Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия Памяти Б.А. Волкова

План доклада 1. Нелегированные сплавы на основе теллурида свинца 2. Легирование теллурида свинца индием А) Стабилизация уровня Ферми Б) Задержанная фотопроводимость В) Примесные метастабильные состояния 3. Фотопроводимость в сплавах Pb 1-x Sn x Te(In) под действием терагерцовых лазерных импульсов 4. Монополярный фотоэлектромагнитный эффект в Pb 1-x Sn x Te(In) 5. Выводы

1. Нелегированные сплавы на основе теллурида свинца PbTe: узкощелевой полупроводник: 1.Кубическая гранецентрированная решетка типа Na + Cl - 2.Прямая щель E g = 190 meV при T = 0 K в L-точке зоны Бриллюэна 3.Высокая диэлектрическая проницаемость Малые эффективные массы m m e.

Твердые растворы Pb 1-x Sn x Te Происхождение свободных носителей: Отклонение от стехиометрии Как правило: n,p см -3

2. Эффекты, появляющиеся при легировании Стабилизация уровня Ферми. PbTe(In), N In > N i

Стабилизация уровня Ферми в сплавах Pb 1-x Sn x Te(In). E In

Задержанная фотопроводимость Температурная зависимость сопротивления, измеренная в темноте (1-4) и при инфракрасной подсветке (1'-4') в сплавах с x = 0.22 (1, 1'), 0.25 (2, 2'), 0.27 (3, 3') и 0.29 (4, 4')

Кинетика фотопроводимости Большое время жизни фотовозбужденных электронов связано с существованием барьера между локальными и зонными состояниями – DX-подобные примесные центры

Примесные метастабильные состояния Примесные метастабильные состояния ответственны за появление ряда сильных эффектов: Задержанная фотопроводимость в терагерцовом спектральном диапазоне СВЧ-стимуляция квантовой эффективности до 10 2 Усиленный диамагнитный отклик, составляющий до 1% от идеального Рост эффективной диэлектрической проницаемости до 10 5 при ИК-подсветке Гигантское отрицательное магнитосопротивление с амплитудой до 10 6

Фотоотклик на длинах волн 176 мкм и 241 мкм Сильный фотоотклик на длинах волн 176 и 241 мкм = 241 мкм выше, чем red = 220 мкм наблюдавшаяся в Ge(Ga) выключение света включение света

Важное замечание E =(241, 176) m < E a За фотопроводимость отвечает возбуждение с примесных метастабильных состояний.

3. Фотопроводимость PbSnTe(In) под действием терагерцового лазерного излучения Длина волны лазера: 90, 148, 280, 496 m Длительность импульса: 100 ns Мощность в импульсе: до 30 kW Температура образца: 4.2 – 300 K

Образцы Температурная зависимость удельного сопротивления и концентрации электронов Температурная зависимость подвижности электронов

Кинетика фотопроводимости Временной профиль лазерного импульса и кинетика фотопроводимости при различных температурах

Механизмы фотопроводимости Отрицательная фотопроводимость: разогрев электронного газа, изменение подвижности электронов Положительная фотопроводимость: генерация неравновесных электронов с метастабильных электронных состояний, изменение концентрации свободных электронов

Зависимость амплитуды фотоотклика от длины волны N кв = c -1 Заметный фотоотклик наблюдается вплоть до длины волны 496 мкм, что более чем в два раза выше, чем предыдущий рекорд для фотонных приемников – 220 мкм для одноосно деформированного Ge(Ga) Линейная экстраполяция квантовой эффективности к нулевому значению фотоотклика дает красную границу фотоэффекта Е кр =0!

4. Фотоэлектромагнитный эффект в PbSnTe(In) Схема эксперимента

Эксперимент Изменение сигнала при прохождении лазерного импульса для двух полярностей магнитного поля (H- и H+ = Tл) при температурах 4.2 и 25 К.

Особенности 1. При 4.2 К имеется задержка сигнала относительно импульса – около 30 нс 2. При 25 К знак эффекта меняется на противоположный 3. Задержка сигнала относительно импульса при 25 К – около нс 4. Эффект не зависит от поляризации излучения 5. Эффект исчезает при направлении магнитного поля вдоль контактов

Зависимость от магнитного поля Зависимости максимальной амплитуды сигнала от магнитного поля при температурах 4.2 и 25 К.

Зависимость от мощности импульса Зависимость максимальной амплитуды сигнала от приведенной мощности лазерного импульса. H = Tл.

Возможная интерпретация

Отличия от классического ФЭМ эффекта 1. Энергия кванта много меньше E g, эффект монополярный 2. Кинетика эффекта не повторяет кинетику фотопроводимости 3. Природа эффекта при 4.2 К и 25 К, видимо, несколько различается

Механизм эффекта При 4.2 К – градиент концентрации неравновесных электронов, диффузия неравновесных электронов от поверхности При 25 К – градиент подвижности электронов при неизменной концентрации, диффузия более быстрых электронов из объема к поверхности

Оценка диэлектрической проницаемости Если время задержки сигнала при 4.2 К соответствует максвелловскому времени релаксации, то = 0 откуда ~ 10 7

Зависимость от длины волны Опять Е кр =0?

Выводы Обнаружен ряд новых фотоэлектрических эффектов в Pb 1-x Sn x Te(In)) под действием терагерцового лазерного излучения: Положительная задержанная фотопроводимость при Т < 10 К, связанная с фотовозбуждением с метастабильных примесных состояний, Отрицательная незадержанная фотопроводимость при Т ~ 25 К, связанная с разогревом электронного газа Красная граница фотоэффекта, по крайней мере, выше 496 мкм. Экстраполяция к нулевому сигналу дает Е кр =0! Обнаружен монополярный фотоэлектромагнитный эффект Оценка диэлектрической проницаемости дает значение 10 7 в условиях фотовозбуждения Для фотоэлектромагнитного эффекта экстраполяция к нулевому сигналу также дает Е кр =0!